东北大学自动控制原理第一章ws
自控第一章习题答案.doc
i -1水箱液im高度控制系统的3种原理方案如图2-i-i所示。
在运行中，希望液面高度H维持不变。
M w W解：(a) ⑶工作原理：当电位器电刷位于中点(对应电压为零)时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度H。
当液面升高时(H>Ho),浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho),电动机的停止转动。
反之，若液面降低(H〈H°),则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho) o被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；干扰量：用水量系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示：工作原理：当流出水量匾变小时，液面的实际水位H升高(H>Ho),浮子也相应升高，通过杠杆调节阀门从而减小流入的水量Q.使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o反之，当流出水量Q2变大时，液面的实际水位H降低(IKHo),浮子也相应降低，通过杠杆调节阀门L,从而增大流入的水量Q,使液面逐渐升高，浮子位置也相应升高，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；手排曷.田永昼m系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示：（c）工作原理：当输出阀门12改变时，通过杠杆调节输入阀门L,改变输入流量Q,使液面高度维持不变（H=H。
）。
被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；干扰量：输出阀门b系统是按干扰补偿的开环控制系统。
系统方块图如图所示：I - 2仓库大门|'|动控制系统的原理如图 2 - I - 5所示。
自动控制原理课件第一章
二、 闭环控制（反馈控制） 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响(yǐngxiǎng)的
系统，都叫做闭环控制系统。
输入
偏差
+-
控制装置
控制对象
输出
反馈元件
图1-13 闭环控制系统Байду номын сангаас框图
精品资料
室温(shì wēn)控制 系统
r＋ －
e 空调器
热传导 室内空气等c
y
热敏电阻
图 1 - 1 室温控制系统元件(yuánjiàn)框图
烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡
当出水与进水的平衡被
控制器
破坏时，水箱水位下降(
流入
或上升)，出现偏差
浮子 水箱
(piānchā)。这偏差 (piānchā)由浮子检测出 来，自动控制器在偏差
h
流出 (piānchā)的作用下，控
制阀门开大(或关小)，对
图1.3 液面自动控制
偏差(piānchā)进行修正
精品资料
2. 自动控制的基本职能(zhínéng)元件 自动控制,实际上就是由自动控制装置代替人的基本功能来
一 .开环控制
定义：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称为 (chēnɡ wéi)开环控制系统。
特点是：控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道,信 息的传递路径不是闭合的，故称开环。
开环控制系统的典型方框图如图所示。
精品资料
16
输入量
控制器
被制对象
输出量
例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动 生产线，数控车床等等。
比较元件：将被控量与给定值加以(jiāyǐ)比较，形成偏差信号；
自动控制原理 第一章(2015)汇总
第一章 自动控制的一般概念
你心中的自动
1.1.1 自动控制技术及其应控用制是什么？
1. 自动控制（Automatic control）
是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置（称控制装置 或控制器），使机器、设备或生产过 程（统称被控对象）的某个工作状态 或参数（即被控量）自动地按照预定 的规律运行。
要使受控制对象的被控变量高品质地按照预定的 规律变化，面临的以下两大问题：
1）受控系统的特性难于满足要求；
2）存在扰动和不确定性因素制约控制系统性能 的提高
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
自动控制理论学科以及本课程具有的特点：
1）自动控制理论研究的是自动控制系统运动的一 般规律（共性）和分析、设计的基本方法； 2）自动控制理论讨论的中心问题是控制系统的性 能； 本课程是一门方法论的技术基础课。讨论的重点 是分析和综合自动控制系统的基本理论和基本方法 。
自动控制原理
1.1.2 自动控制科学
第一章 自动控制的一般概念
2020/10/5
自动控制理论
4
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
例1 水温人工控制系统
系统的构蒸成汽： 通受过控热对传象导手:器水动箱 件调把节热阀量门传的递开 给度被水，控,从水制而的量调温:水节度温 与控蒸蒸制汽汽量的的流:阀流量门量,来开度 成（控正制蒸比水汽.的流温量度）.
但人工难以实现稳定的高质量控制.
第一章 自动控制的一般概念
采摘机器手
弹琴
自动控制原理
机器人外科手术系统
第一章 自动控制的一般概念
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念 基于GPS的无人驾驶自动插秧机器人
第一章自动控制原理绪论
第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学，主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。
本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法，以及自动控制的应用领域。
自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。
系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型，控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程，反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程，而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。
自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。
在建立数学模型时，可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则，采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。
在分析系统的性态时，可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。
在设计控制策略时，可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。
在设计控制器时，可以采用比例、积分、微分控制器等方法，通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。
自动控制的应用领域非常广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。
在工业自动化中，自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。
在航空航天中，自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。
在机器人中，自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。
在医疗设备中，自动控制可以实现医学影像的采集和分析，以及手术机器人的操作。
在交通运输中，自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。
总之，自动控制原理是一门重要的学科，对于解决实际问题具有重要意义。
通过学习和应用自动控制原理，可以提高物理系统的控制性能，实现精确定位、稳定运行和高效控制，在各个应用领域都有着广泛的应用前景。
自动控制原理第1章
图２自动控制系统结构图
Hale Waihona Puke 从图1和图2可以看出，人工控制系统和自动控制系统非 常相似，热电偶就相当于人的眼睛;比较电路完成人大脑的功 能，电机代替人的肌体;人工控制系统和自动控制系统虽然采 用不同的装置，但是它们的原理很是相似。在自动控制系统 中，我们经常把比较放大电路以及其他附加装置(主要起校正 作用)称为控制器，而把执行机构(电机)和控制对象(恒温箱) 称为受控对象。这样可以得到控制系统的一般结构图：
中心问题是控制过程的运动规律性。 学科的主要内容是
数学模型 工程分析计算方法 系统一般规律
自动化的诞生
从刀耕火种的年代起，人们就梦想着省时省力地 生产出更多的东西，来满足人们生活的需要。人们在 几千年的生产过程中，发明了很多节省力气的工具， 如在河流上建造的水车。可以通过水的冲击带动轮子 转动，实现灌溉、淘米等工作。 工业革命的到来，为自动化的发展带来了巨大 的动力。1788年，为了解决工业生产中蒸汽机的速 度控制问题，瓦特在自己发明的蒸汽机上安装了一 个飞球，并将它与蒸汽机的阀门连接在一起。这样 当蒸汽机的转速太快时，飞球升高，使阀门开的小 些，蒸汽机会减速。瓦特的这项发明开创了自动调 节装置的应用和研究。这项发明的成功表明自动化 技术已具雏形。
负反馈的特点 它主要是通过输入、输出之间的差值作 用于控制系统的其他部分。这个差值就反映 了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。 控制器的控制策略是不停减小这个差值，以 使差值变小。负反馈形成的系统，控制精度 高，系统运行稳定
正反馈 在自动控制系统中主要是用来对小的变 化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的 状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合 使用，以使系统的性能更优。
第一章绪论
自动控制原理(第一章)
说 明
系统的元件 信息的流向
第7页，共24页。
例2：人如何控制设备：温箱的温度控制
被控对象：温箱； 被控量：温箱的温度；
测量元件：温度计
关键：利用温度偏差， 减小偏差。
期 温 望 度大 脑
手
调 压 器 恒 温 箱
实 际 温 度
眼 睛 温 度 计
人工控制恒温箱的功能框图
第8页，共24页。
例3：电炉的自动控制系统
示例： 直流电机调速系统
负
Ug
K
Ud M
载
第14页，共24页。
② 按干扰补偿的开环控制
第15页，共24页。
（3）复合控制
即按偏差的控制和按扰动的控制相结合的控制方式。 按可测扰动补偿的复合控制
第16页，共24页。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统
电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统
第23页，共24页。
谢谢大家
第24页，共24页。
第17页，共24页。
1-3 自动控制系统的分类
按控制方式分： 按元件类型分： 按系统功用分： 按性能分： 按给定值类型分：
第18页，共24页。
常见的几种自动控制系统 1）线性连续控制系统
线性指满足线性叠加原理；
连续指系统的输入量和输出量都是时间连续函数； a0d dn ntc(t)a1d dn nt 1 1c(t) an1d dc t(t)anc(t) b0d dm m tr(t)b1d dm m t 1 1r(t) bm1d dtr(t)bmr(t)
u1
u2
u
第9页，共24页。
放大元件 执行机构
被控对象 测量元件
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
自动控制原理_第一章课后习题解答
第一章1.1 图1.18是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
c+-SM___1Q 浮浮浮浮浮浮2Q 浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮fi -+解：系统的控制任务是保持液面高度不变。
水箱是被控对象，水箱液位是被控变量。
电位器用来设置期望液位高度*c (通常点位器的上下位移来实现) 。
当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱的流入水量与流出水量相等，从而使液面保持在希望高度*c 上。
一旦流出水量发生变化(相当于扰动)，例如当流出水量减小时，液面升高，浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。
这时，水箱液位下降．浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置为止，系统重新处于平衡状态，液位恢复给定高度。
反之，当流出水量在平衡状态基础上增大时，水箱液位下降，系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度*c 。
系统方框图如图解1. 4.1所示。
1.2恒温箱的温度自动控制系统如图1.19所示。
（1） 画出系统的方框图；（2） 简述保持恒温箱温度恒定的工作原理;（3） 指出该控制系统的被控对象和被控变量分别是什么。
M放大器电机减速器调压器 220～热电偶电阻丝－ ＋－ ＋图1.19 恒温箱的温度自动控制系统解：恒温箱采用电加热的方式运行，电阻丝产生的热量与调压器电压平方成正比，电压增高，炉温就上升。
调压器电压由其滑动触点位置所控制，滑臂则由伺服电动机驱动．炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压作为反馈电压与给定电压进行比较，得出的偏差电压经放大器放大后，驱动电动机经减速器调节调压器的电压。
在正常情况下，炉温等于期望温度T ，热电偶的输出电压等于给定电压。
此时偏差为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。
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东北大学《自动控制原理》课程组
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自动控制原理
第1章 自动控制系统的基本概念
东北大学《自动控制原理》 东北大学《自动控制原理》课程组
第1章 自动控制系统的基本概念
主要内容
开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
2.闭环控制系统的基本环节 闭环控制系统的基本环节 （1）被控对象或调节对象 ） 要进行控制的设备或过程。 要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构 ） 一般由传动装置和调节机构组成。 一般由传动装置和调节机构组成。执行机 构直接作用于控制对象， 构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要 求的数值。 求的数值。 （3）检测装置或传感器 ） 该装置用来检测被控制量，并将其转换为 该装置用来检测被控制量， 与给定量相同的物理量。
11
第1章 自动控制系统的基本概念
学习重点
了解自动控制系统的基本结构和特点及 其工作原理； 其工作原理； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控 制系统的作用； 制系统的作用； 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
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自动控制原理
课程的主要内容（讲课 实验 实验） 课程的主要内容（讲课/实验）
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章
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自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的时域分析(12/4) 自动控制系统的时域分析(12/4) 根轨迹法(8/0) 根轨迹法(8/0) 频率法(12/4) 频率法(12/4) 控制系统的校正及综合(8/0) 控制系统的校正及综合(8/0) 非线性系统分析(6/2) 非线性系统分析(6/2) 线性离散系统的理论基础(8/2) 线性离散系统的理论基础(8/2)
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
①开环控制
只有输入量对输出量产生控制作用，输 出量不参与对系统的控制。 。
②开环控制特点
输入控制输出 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
① 反馈控制
把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与 给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产 生控制作用,使输出量按照要求的规律变化。 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为 正反馈。
全国高等学校自动化专业系列教材 普通高等教育“十一五” 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 国家精品课程教材
自动控制原理
东北大学 王建辉 顾树生 主编 杨自厚 主审
清华大学出版社
自动控制原理
Principle of Automatic Control
东北大学 《自动控制原理》课程组 自动控制原理》 负责人 顾树生 王建辉
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自动控制原理
课程的性质和特点
自动控制是一门技术学科， 自动控制是一门技术学科，从方法论的 技术学科 角度来研究系统的建立、分析与设计, 角度来研究系统的建立、分析与设计,《自 动控制原理》是本学科的技术基础课。 动控制原理》是本学科的技术基础课。
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自动控制原理
本课程与其它课程的关系
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 拉氏变换 模拟电子技术 线性代数
自动控制原理
现代控 制理论
微积分
各 类 专业课
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线性系统
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自动控制原理
自动控制理论的发展历程
第一阶段：古典控制理论（ 世纪 世纪40～ 年代 年代） 第一阶段：古典控制理论（20世纪 ～60年代） SISO、线性定常、频域法 、线性定常、 第二阶段：现代控制理论（ 世纪 世纪60～ 年代 年代） 第二阶段：现代控制理论（20世纪 ～70年代） MIMO、非线性、时变、状态空间法 、非线性、时变、 第三阶段：智能控制理论（20世纪 年代～ 今） 第三阶段：智能控制理论（ 世纪70年代～ 世纪 年代 非模型
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
（4）给定环节 ） 设定被控制量的给定值的装置。 设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节 ） 将所检测的被控制量与给定量进行比较， 将所检测的被控制量与给定量进行比较， 确定两者之间的偏差量。 确定两者之间的偏差量。 （6）中间环节 ） 一般包括放大环节和校正环节。 一般包括放大环节和校正环节。
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1.3 自动控制系统类型 1.按照主要元件的输入输出特性划分
1）线性系统 ） 由线性元件组成的系统，其微分方程中输 出量及其各阶导数都是一次的，并且各系 数与输入量（自变量）无关。 2）非线性系统 ） 存在非线性元件的系统，其微分方程式的 系数与自变量有关。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
自动控制
自动控制是在没有人的直接干预下， 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规 律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加 律变化，例如矿井提升机的速度控制、 热炉温度的控制等等。 热炉温度的控制等等。
1.3 自动控制系统类型
2.按照信号传递方式划分 2.按照信号传递方式划分
1）连续数据系统 ） 系统各部分的信号都是连续的模拟量。 2）离散数据系统 ） 系统的一处或几处，信号是以脉冲序列 或数码的形式传递。
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1.3 自动控制系统类型
3.按照输入量的变化规律划分 3.按照输入量的变化规律划分
自动控制系统
自动控制系统是为实现某一控制目标所需要 的所有物理部件的有机组合体。 的所有物理部件的有机组合体。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统 1.开环控制系统
例1-1 温度控制系统
～220 0V
uc
2
1
性能指标 工作过程
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1
~220V
uc
2
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
（2）自动闭环控制 ）
温度闭环控制系统图 1-热电偶 2-加热器
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
给定量
闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置
东北大学《自动控制原理》课程组 19
1）恒值系统 ） 给定量是恒定不变的。 2）程序控制系统 ） 给定量是按照一定的时间函数变化的。 3）随动系统 ） 给定量按照事先未知的时间函数变化。
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1.4 自动控制系统的性能指标
对自动控制系统的基本要求
稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性） 稳定性）、快 快速性）、准 准确性） ）、 ）、 描述系统的动态（过渡过程） “稳”与“快”描述系统的动态（过渡过程） 品质。 品质。 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能 元件的能量不可能突变。 元件的能量不可能突变。 描述系统的稳态（静态）品质。 “准”描述系统的稳态（静态）品质。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
扰动量 给定量 输出量
1
2
图中： 图中： 1 – 控制器(自耦变压器) 2 - 被控对象(电阻炉)
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
例1-2 温度闭环控制系统 （1）人工闭环控制
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1.4 自动控制系统的性能指标
1. 稳定性
当扰动作用（或给定值发生变化） 当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来 的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节， 的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节， 系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值） 系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来 如图a），称这样的系统为稳定系统，反之， ），称这样的系统为稳定系统 （如图 ），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的 输出如图b 稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。 输出如图 。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。
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1.4 自动控制系统的性能指标
2. 稳态性能指标
稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新的稳态， 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或 系统受扰动作用又重新平衡后， 系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会 出现偏差，这种偏差称为稳态误差 稳态误差。 出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的控制 精度，它表明了系统控制的准确程度。 精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态 误差越小，则系统的控制精度越高。 误差越小，则系统的控制精度越高。
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
1.闭环控制系统的结构图 1.闭环控制系统的结构图